JP6086443B2

JP6086443B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6086443B2
Application number: JP2013524713A
Authority: JP
Inventors: 池田　裕二; 裕二池田
Original assignee: Imagineering Inc
Current assignee: Imagineering Inc
Priority date: 2011-07-16
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: WO2013011967A1; US20140196679A1; US10151291B2; JPWO2013011967A1; EP2733348A4; EP2733348B1; EP2733348A1

Description

本発明は、電磁波を利用して燃焼室における混合気の燃焼を促進させる内燃機関に関するものである。

従来から、電磁波を利用して燃焼室における混合気の燃焼を促進させる内燃機関が知られている。例えば特開２００７−１１３５７０号公報には、この種の内燃機関が開示されている。

特開２００７−１１３５７０号公報に記載の内燃機関は、混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こす点火装置を備えている。点火装置は、高圧場においてプラズマが生成されるように、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させる。局所的なプラズマは、陽極端子の先端部とグランド端子部との間の放電ギャップに生成される。

特開２００７−１１３５７０号公報

ところで、内燃機関では、内燃機関の運転状況や混合気の着火後の火炎の伝播状況によって、燃焼室の共振周波数が変化する。このため、従来の内燃機関では、火炎の伝播中に燃焼室へ電磁波を放射しても、火炎の伝播速度を適切に向上させることができないおそれがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁波を利用して燃焼室における混合気の燃焼を促進させる内燃機関において、燃焼室において電磁波のエネルギーを有効に利用して火炎の伝播速度を向上させる。

第１の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、混合気が着火された後の火炎の伝播中に前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、前記内燃機関本体の運転状況である負荷及び回転数が入力されると、低負荷・低回転領域から高負荷・高回転領域に近づくに従って、発振周波数の目標値が大きな値となるように設定された制御マップに応じて、前記電磁波放射装置が前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を制御する制御手段とを備えている。

第１の発明では、内燃機関本体の運転状況に応じて燃焼室の共振周波数を考慮して、燃焼室へ放射される電磁波の周波数が制御される。このため、火炎の伝播中に燃焼室へ放射された電磁波が適切に共振する。

第２の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、混合気が着火された後の火炎の伝播中に前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、前記点火装置による混合気の点火タイミングと前記電磁波放射装置によりマイクロ波の放射開始タイミングとの時間差から火炎の伝播状況を推測し、その推測結果に基づいて、発振周波数の目標値を決定し、前記電磁波放射装置が前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を制御する制御手段とを備えている。

第２の発明では、火炎の伝播状況に応じて燃焼室の共振周波数を考慮して、燃焼室へ放射される電磁波の周波数が制御される。このため、火炎の伝播中に燃焼室へ放射された電磁波が適切に共振する。

本発明では、燃焼室の共振周波数を考慮して、燃焼室へ放射される電磁波の周波数を制御することで、火炎の伝播中に燃焼室において電磁波が適切に共振するようにしている。従って、燃焼室において電磁波のエネルギーを有効に利用して火炎の伝播速度を向上させることができる。

実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。実施形態に係る点火装置および電磁波放射装置のブロック図である。実施形態に係る放射アンテナの概略構成図である。実施形態の変形例２に係る内燃機関の縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１と点火装置１２と電磁波放射装置１３と制御装置３５とを備えている。内燃機関１０では、点火装置１２により混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−

内燃機関本体１１は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。燃焼室２０の直径は、例えば、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の波長の半分程度である。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火装置１２の一部を構成する点火プラグ４０が１つずつ設けられている。図２に示すように、点火プラグ４０では、燃焼室２０に露出する先端部が、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。点火プラグ４０の先端部の外周は、その軸方向から見て円形である。点火プラグ４０の先端部には、中心電極４０ａ及び接地電極４０ｂが設けられている。中心電極４０ａの先端と接地電極４０ｂの先端部との間には、放電ギャップが形成されている。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５の吸気側開口２５ａを開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。なお、内燃機関１０は、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。
−点火装置−

点火装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。図３に示すように、各点火装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される点火プラグ４０とを備えている。

点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを点火プラグ４０の中心電極４０ａに出力する。点火プラグ４０では、高電圧パルスが中心電極４０ａに印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電の放電経路には、放電プラズマが生成される。中心電極４０ａには、高電圧パルスとしてマイナスの電圧が印加される。

なお、点火装置１２は、放電プラズマに電気エネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるプラズマ拡大部を備えていてもよい。プラズマ拡大部は、例えば、放電プラズマに高周波（例えばマイクロ波）のエネルギーを供給することによりスパーク放電を拡大させる。プラズマ拡大部によれば、希薄な混合気に対して着火の安定性を向上させることができる。プラズマ拡大部として、電磁波放射装置１３を利用してもよい。
−電磁波放射装置−

電磁波放射装置１３は、図３に示すように、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に放射アンテナ１６が設けられている。

電磁波発生装置３１は、制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号である。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、放射アンテナ１６毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ１６に接続されている。電磁波切替器３２は、制御装置３５により制御されて、複数の放射アンテナ１６の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。放射アンテナ１６は、２つの吸気側開口２５ａの間の領域に設けられている。放射アンテナ１６は、図１に示すように、燃焼室２０の天井面５１から突出している。放射アンテナ１６は、図４に示すように、螺旋状に形成され、絶縁体６５内に埋設されている。放射アンテナ１６の長さは、その放射アンテナ１６におけるマイクロ波の波長の４分の１である。放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２に埋設されたマイクロ波の伝送線路３３を介して、電磁波切替器３２の出力端子に電気的に接続されている。

本実施形態では、電磁波放射装置１３が、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を調節可能に構成されている。具体的に、電磁波発生装置３１は、マイクロ波の発振周波数を調節可能に構成されている。電磁波発生装置３１は、例えば、２．４５ＧＨｚを発振周波数の中心値ｆとして、低周波側の第１設定値ｆ１（ｆ１＝ｆ−Ｘ）から高周波側の第２設定値ｆ２（ｆ２＝ｆ＋Ｘ）の間で、発振周波数を連続的に調節可能に構成されている。Ｘ（Ｈｚ）は、数〜数十（Ｈｚ）の値であり、例えば１０（Ｈｚ）である。

なお、電磁波放射装置１３が、発振周波数が互いに異なる複数の電磁波発生装置３１を備え、使用する電磁波発生装置３１を切り替えることにより、燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を調節してもよい。
−制御装置の動作−

制御装置３５の動作について説明する。制御装置３５は、各燃焼室２０に対して、１回の燃焼サイクルに、点火装置１２に混合気への点火を指示する第１動作と、混合気の着火後に電磁波放射装置１３にマイクロ波の放射を指示する第２動作とを行う。

具体的に、制御装置３５は、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに第１動作を行う。制御装置３５は、第１動作として点火信号を出力する。

点火装置１２は、点火信号を受けると、上述したように、点火プラグ４０の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。混合気は、スパーク放電により着火する。混合気が着火すると、燃焼室２０の中心部の混合気の着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって火炎が広がる。

制御装置３５は、混合気が着火した後に、例えば火炎伝播の後半期間の開始タイミングに第２動作を行う。制御装置３５は、第２動作として電磁波駆動信号を出力する。

電磁波放射装置１３は、電磁波駆動信号を受けると、上述したように、放射アンテナ１６からマイクロ波パルスを繰り返し放射する。マイクロ波パルスは、火炎伝播の後半期間に亘って繰り返し放射される。

本実施形態では、制御装置３５が、内燃機関本体１１の運転状況に応じて燃焼室２０の共振周波数を考慮して、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を制御する制御手段を構成している。制御装置３５は、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を制御するために、電磁波発生装置３１の発振周波数を制御する。

制御装置３５には、内燃機関本体１１の負荷及び回転数をそれぞれ入力値として入力すると、第１設定値ｆ１と第２設定値ｆ２の間で予め設定された発振周波数の目標値（出力値）が得られる制御マップが設けられている。制御マップは、内燃機関本体１１の運転状況に応じた燃焼室２０の共振周波数を考慮して作成されている。例えば、制御マップでは、低負荷・低回転領域から高負荷・高回転領域に近づくに従って、発振周波数の目標値が大きな値に設定されている。制御装置３５は、内燃機関本体１１の負荷及び回転数が入力されると、制御マップから発振周波数の目標値を読み取り、電磁波発生装置３１の発振周波数をその目標値に設定する。燃焼室２０には、燃焼室２０の共振周波数を考慮した周波数のマイクロ波が放射される。そのため、火炎の伝播中に燃焼室２０においてマイクロ波が適切に共振するので、火炎の伝播速度が効果的に向上する。

なお、マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、燃焼室２０の強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成される。強電界領域を通過する火炎の伝播速度は、活性種により増大する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、燃焼室２０の共振周波数を考慮して、燃焼室２０へ放射されるマイクロ波の周波数を制御することで、火炎の伝播中に燃焼室２０においてマイクロ波が適切に共振するようにしている。従って、燃焼室２０においてマイクロ波のエネルギーを有効に利用して火炎の伝播速度を向上させることができる。
−実施形態の変形例１−

本実施形態の変形例１では、制御装置３５が、火炎の伝播状況に応じて燃焼室２０の共振周波数を考慮して、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を制御する制御手段を構成している。制御装置３５は、電磁波放射装置１３が燃焼室２０へ放射するマイクロ波の周波数を制御するために、電磁波発生装置３１の発振周波数を制御する。

制御装置３５は、第１動作の実行タイミング（点火装置１２による混合気の点火タイミング）と、第２動作の開始タイミング（電磁波放射装置１３によりマイクロ波の放射開始タイミング）との時間差から、マイクロ波の放射を開始する時点で火炎がどの程度広がっているのかを推測し、その推測結果に基づいて、発振周波数の目標値を決定する。例えば、制御装置３５は、第１動作の実行タイミングと第２動作の開始タイミングとの時間差が大きいほど、マイクロ波の放射を開始する時点で火炎が広範囲に広がっていると推測し、発振周波数の目標値を大きな値に設定する。

制御装置３５は、発振周波数の目標値を設定すると、電磁波発生装置３１の発振周波数をその目標値に設定する。燃焼室２０には、燃焼室２０の共振周波数を考慮した周波数のマイクロ波が放射される。そのため、火炎の伝播中に燃焼室２０においてマイクロ波が適切に共振するので、火炎の伝播速度が効果的に向上する。
−実施形態の変形例２−

本実施形態の変形例２では、燃焼室２０を区画する区画部材に、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射されたマイクロ波に共振するリング状の受信アンテナ５２が設けられている。変形例２では、２つの受信アンテナ５２ａ，５２ｂが、前記区画部材のうち、燃焼室２０の外周寄りの領域を区画する部分に設けられている。各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、図５に示すように、ピストン２３の頂部の外周寄りの領域に設けられている。各受信アンテナ５２ａ，５２ｂは、ピストン２３頂面に積層された絶縁層５６に設けられている。

以上説明したように、本発明は、電磁波を利用して燃焼室における混合気の燃焼を促進させる内燃機関について有用である。

１０内燃機関
１１内燃機関本体
１２点火装置
１３電磁波放射装置
１６放射アンテナ
２０燃焼室
３５制御装置（制御手段）

Claims

燃焼室が形成された内燃機関本体と、
前記燃焼室において混合気に点火する点火装置とを備え、
前記点火装置により混合気に点火して該混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる内燃機関であって、
混合気が着火された後の火炎の伝播中に前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置と、
前記点火装置による混合気の点火タイミングと前記電磁波放射装置によりマイクロ波の放射開始タイミングとの時間差から火炎の伝播状況を推測し、その推測結果に基づいて、発振周波数の目標値を決定し、前記電磁波放射装置が前記燃焼室へ放射する電磁波の周波数を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関。